CN211629136U - 一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池 - Google Patents

一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，包括顶电池、中间连接层和底电池，所述底电池包括自下至上依次层叠设置的导电玻璃FTO阴极、ZnO电子传输层、金属Ag周期阵列纳米结构薄膜、钙钛矿活性层、Spiro‑OMeTAD空穴传输层；所述顶电池包括自下至上层叠设置的金属An周期整列纳米结构薄膜、聚合物富勒烯共混活性层、MoO3空穴传输层、金属阳极Al。本实用新型底电池处采用宽带隙钙钛矿的吸收范围为300‑550nm，顶电池采用窄带隙聚合物的吸收范围为550‑900nm，拓宽了电池的光谱吸收范围，并且通过采用底电池和顶电池的串联方式连接，提供了最佳的钙钛矿太阳能电池和有机聚合物太阳能电池的器件效率。

Description

一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池
技术领域
本实用新型属于叠层钙钛矿电池/聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于全光波段吸收的高效钙钛矿/聚合物富勒烯叠层太阳能电池。
背景技术
随着社会经济的快速发展，石油、天然气等不可再生型资源日渐枯竭，能源已经成为世界各国普遍关注的战略性问题之一。研究表明，太阳能是国际公认的理想替代能源，是人类可利用的最直接的清洁能源。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分, 用能带宽度与这些太阳光光谱有最好匹配的材料做成电池, 并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠加起来，让波长较短的光被最外边的宽带隙材料电池吸收，波长较长的光能够透射，并让较窄禁带宽度材料电池利用, 这就有可能最大限度地将光能变成电能, 实现此类结构的电池就是叠层太阳能电池，叠层结构太阳能电池利用中间连接层可将不同吸收波段的聚合物叠加串联 (或并联) 起来，既能够增加太阳光的吸收，又能够提高太阳电池的开路电压(或短路电流)，器件的性能也会相应大幅度地增加，可以有效地提高太阳电池的能量转换效率。2014年，中国科学院国家纳米科学中心采用CH3NH3PbI3和PDPP3T:PC71BM制备出第一个钙钛矿/有机太阳电池,器件结构如下：ITO/PEDOT:PSS/ CH3NH3PbI3/PDPP3T:PC71BM/Al，获得了最高8.8%的光电转换效率。随后，中国科学院化学研究所通过对该器件制备条件的优化，使得太阳能电池的光电转换效率达到了12.2%。该效率高于基于CH3NH3PbI3：PCBM电子传输层钙钛矿太阳电池的效率(10.3%)，而且电池的短路电流有明显的提升（从18.2mA/cm2ｃ提升到22.9mA/cm2）。此外，制备的CH3NH3PbI3和PDPP3T:PC71BM获得了9.25%的光电转换效率，该效率也远远高于基于PDPP3T:PC71BM的有机太阳电池。2015年美国加州大学洛杉矶分校采用CH3NH3PbI3/PDTP-DFBT:PC71BM制备的太阳能电池光电转换效率提升到了15.8%。该课题组还揭示了钙钛矿/聚合物富勒烯叠层太阳能电池工作时，钙钛矿中的发生费米能级的分裂，钙钛矿的电子准费米能级与有机活性层中受体的电子准费米能级对齐等问题。
实用新型内容
本实用新型主要是解决现有技术中所存在的技术问题，提供一种为了拓宽电池的光谱吸收范围，提高太阳能电池的效率的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本实用新型的一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，包括顶电池、中间连接层和底电池，所述底电池包括自下至上依次层叠设置的导电玻璃FTO阴极、ZnO电子传输层、金属Ag周期阵列纳米结构薄膜、钙钛矿活性层、Spiro-OMeTAD空穴传输层；所述顶电池包括自下至上层叠设置的金属An周期整列纳米结构薄膜、聚合物富勒烯共混活性层、MoO3空穴传输层、金属阳极Al。
进一步地，中间连接层是通过连续蒸镀工艺实现，厚度为20~30nm，其材料为MoO3/Al/ZnO。
进一步地，所述的金属Ag周期阵列纳米结构薄膜通过紫外光固化纳米压印技术实现，薄膜阵列结构为矩形。
进一步地，所述的ZnO电子传输层通过旋涂和退火处理制备，厚度为10nm; Spiro-OMeTAD空穴传输层采用溶液旋涂制备，厚度为40nm。
进一步地，钙钛矿活性层CH3NH3PbI3和聚合物富勒烯共混活性层PBDTDPP:PCBM通过旋涂和退火处理制备，厚度分别为300nm和90nm。
进一步地，所述的MoO3阳极修饰层和金属阳极Al通过加热蒸镀制备，厚度分别为30nm和120nm。
本专利技术中底电池处采用宽带隙钙钛矿的吸收范围为300-550nm，顶电池采用窄带隙聚合物的吸收范围为550-900nm，拓宽了电池的光谱吸收范围，并且通过采用底电池和顶电池的串联方式连接，提供了最佳的钙钛矿太阳能电池和有机聚合物太阳能电池的器件效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池的结构示意图；
图2是本实用新型的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池的外量子效率测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1、图2所示，本实用新型提供一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，包括顶电池、中间连接层和底电池，所述底电池包括自下至上依次层叠设置的导电玻璃FTO阴极1、ZnO电子传输层2、金属Ag周期阵列纳米结构薄膜3、钙钛矿活性层4、Spiro-OMeTAD空穴传输层5；所述顶电池包括自下至上层叠设置的金属An周期整列纳米结构薄膜7、聚合物富勒烯共混活性层8、MoO3空穴传输层9、金属阳极Al10。中间连接层是通过连续蒸镀工艺实现，厚度为20~30nm，其材料为MoO3/Al/ZnO。
该电池的给体材料采用光学带隙1.5eV的宽带隙钙钛矿和光学带隙小于1.5eV的窄带隙聚合物PBDTDPP组成。受体材料为PCBM，包括PC61BM和PC71BM。
在本实施例中，金属Ag周期阵列纳米结构薄膜通过紫外光固化纳米压印技术制备，金属Ag周期阵列纳米结构薄膜3的周期长度280nm，厚度为20nm，实心方块的宽度为100nm;空心方块的宽度为140nm；金属An周期整列纳米结构薄膜7的周期长度420nm，厚度为30nm，实心方块的宽度为200nm;空心方块的宽度为220nm。
其中，ZnO电子传输层2通过旋涂和退火处理制备，厚度为10nm; Spiro-OMeTAD空穴传输层采用溶液旋涂制备，厚度为40nm。其中，钙钛矿活性层CH3NH3PbI3和聚合物富勒烯共混活性层PBDTDPP:PCBM通过旋涂和退火处理制备，厚度分别为300nm和90nm。其中，MoO3阳极修饰层和金属阳极Al通过加热蒸镀制备，厚度分别为30nm和120nm。
本实用新型的有益效果为：
1、该电池利用金属Ag周期阵列纳米结构薄膜的等离子增强作用在波长300nm~900nm的范围内，吸收的光子数目明显增加，峰值处增加了近乎一倍，器件的短路电流密度增强了近50％，通过器件的外量子效率EQE测试显示，钙钛矿电池的外量子效率平均值在65%，聚合物富勒烯电池的外量子效率平均值60%，如图2所示，由此可知该结构可以极大地增强太阳能电池的能量转换效率.
2、该电池采用宽带隙钙钛矿的吸收范围为300-550nm、窄带隙聚合物的吸收范围为550-900nm，拓宽了电池的光谱吸收范围，并且通过采用底电池和顶电池的串联方式连接，未引入金属Ag周期阵列纳米结构薄膜的对照电池组中叠层电池的光伏性能如下：器件的开路电压Voc是1.70V, 短路电流密度Jsc是16.38mA/cm2, 填充因子FF是59.90%，电池的能量转换效率PCE为16.68%，引入金属Ag周期阵列纳米结构薄膜的器件性能得到显著提高，器件的开路电压Voc达到了1.75V, 短路电流密度Jsc达到了22.55mA/cm2, 填充因子FF达到了62.25%，最佳叠层太阳能电池转换效率达到了24.56%，如表1统计数据。这已经超过了目前世界上最佳的钙钛矿太阳能电池和有机聚合物太阳能电池的器件效率。
Figure DEST_PATH_238857DEST_PATH_IMAGE001
表1：对照电池组与发明电池组中底电池、顶电池和叠层电池的光伏性能测试表
3、该电池的物理特性测试结果表明，未引入金属Ag周期阵列纳米结构薄膜的对照电池组中叠层电池的载流子迁移率是1000 cm2/(V•S)，串联电阻是520Ω• cm2，并联电阻是3200Ω•cm2，聚合物富勒烯活性层表面粗糙度7.68nm。而引入金属Ag周期阵列纳米结构薄膜的对照电池组中叠层电池的载流子迁移率是3200 cm2/(V•S)，串联电阻是200Ω• cm2，并联电阻是5000Ω•cm2，聚合物富勒烯活性层表面粗糙度2.33nm，这意味着更加致密的器件欧姆连接和更加适于电子与空穴分离的纳米尺度域的形成，这将导致器件效率大幅度提升。
Figure DEST_PATH_218315DEST_PATH_IMAGE002
表2：对照电池组与发明电池组器件的物理性能测试表
由以上对比测试结果可见，本实用新型的技术方案中，底电池处采用宽带隙钙钛矿的吸收范围为300-550nm，顶电池采用窄带隙聚合物的吸收范围为550-900nm，拓宽了电池的光谱吸收范围，并且通过采用底电池和顶电池的串联方式连接，提供了最佳的钙钛矿太阳能电池和有机聚合物太阳能电池的器件效率。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，其特征在于，包括顶电池、中间连接层和底电池，所述底电池包括自下至上依次层叠设置的导电玻璃FTO阴极、ZnO电子传输层、金属Ag周期阵列纳米结构薄膜、钙钛矿活性层、Spiro-OMeTAD空穴传输层；所述顶电池包括自下至上层叠设置的金属An周期整列纳米结构薄膜、聚合物富勒烯共混活性层、MoO3空穴传输层、金属阳极Al。
2.根据权利要求1所述的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，其特征在于：中间连接层是通过连续蒸镀工艺实现，厚度为20~30nm，其材料为MoO3/Al/ZnO。
3.根据权利要求2所述的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，其特征在于：所述的金属Ag周期阵列纳米结构薄膜通过紫外光固化纳米压印技术实现，薄膜阵列结构为矩形。
4.根据权利要求2所述的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，其特征在于：所述的ZnO电子传输层通过旋涂和退火处理制备，厚度为10nm; Spiro-OMeTAD空穴传输层采用溶液旋涂制备，厚度为40nm。
5.根据权利要求2所述的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，其特征在于：钙钛矿活性层CH3NH3PbI3和聚合物富勒烯共混活性层PBDTDPP:PCBM通过旋涂和退火处理制备，厚度分别为300nm和90nm。
6.根据权利要求2所述的基于光吸收增强型的叠层太阳能电池，其特征在于：所述的MoO3阳极修饰层和金属阳极Al通过加热蒸镀制备，厚度分别为30nm和120nm。
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